Целенаправленная реиннервация - Targeted reinnervation

Целенаправленная реиннервация позволяет инвалиды управлять моторизованными протез устройства и вернуть сенсорная обратная связь. Этот метод был разработан доктором Тоддом Куикеном из Северо-Западного университета и Института реабилитации Чикаго и доктором Грегори Думаняном из отделения пластической хирургии Северо-Западного университета.[1]

Обзор

Целенаправленная реиннервация имеет эфферент и афферентный компонент. Нацеленная реиннервация мышц - это метод денервации резервной мышцы (целевой мышцы) ампутированного пациента (ее первоначальные нервы перерезаны и / или деактивируются), а затем реиннервируется остаточными нервами ампутированной конечности.[1] Результирующий ЭМГ сигналы целевой мышцы теперь представляют собой двигательные команды для отсутствующей конечности и используются для управления моторизованным протезом.[1]

Нацеленная сенсорная реиннервация - это метод денервации кожи около или над целевой мышцей, а затем реиннервации афферентных волокон оставшихся нервов кисти.[2] Следовательно, прикосновение к этому куску кожи дает инвалиду ощущение прикосновения к отсутствующей руке или руке.[2]

Мотивация

Существует несколько методов, направленных на усовершенствованный контроль моторизованного нейронного протезирования. Хронические имплантаты головного мозга записывать нейронные сигналы от моторная кора, а такие методы, как ЭЭГ и фМРТ получать моторные команды неинвазивно.[3][4] Записанные сигналы декодируются в электрические сигналы и вводятся во вспомогательные устройства или моторизованные протезы.[3] Традиционный миоэлектрический В протезах используются сигналы поверхностной ЭМГ от остатков ампутированной конечности.[5] Например, пациент может согнуть мышцу плеча, чтобы генерировать сигналы ЭМГ, которые могут использоваться для отправки команды «согнуть локоть» на протез. Однако у всех этих методов есть недостатки. Хронические имплантаты сбой в течение определенного периода времени, потому что нейронный сигнал ухудшается из-за иммунного ответа ткани на инородные тела.[3] ЭЭГ и фМРТ не дают таких сильных сигналов, как имплантация прямого электрода.[4] Традиционные миоэлектрические протезы не могут подавать несколько управляющих сигналов одновременно, поэтому единовременно можно выполнять только одно действие.[5] Они также неестественны в использовании, потому что пользователям приходится задействовать мышцы (например, плечо), которые обычно не задействованы в функциях нижней части руки, для управления функциями нижней части руки (например, открытием и закрытием рук).[5] Решение этих проблем может включать совершенно другую концепцию нейронного интерфейса.

Преимущества

Для целевой реиннервации не требуются имплантаты. Таким образом, в отличие от технологии хронической имплантации мозга, у нее нет проблемы с реакцией на инородное тело. Направленная мышца действует как естественный усилитель нейронных сигналов, производимых перенесенными остаточными нервами. Это преимущество перед такими технологиями, как ЭЭГ и фМРТ, которые используют более слабые сигналы. При целенаправленной реиннервации могут быть произведены несколько, но независимых сигналов ЭМГ, таким образом, несколько функций протез можно управлять одновременно.[1] Например, пациент сможет относительно изящно выполнять такие действия, как бросание мяча, демонстрируя одновременный контроль локтя и руки.[6] Управление также интуитивно понятно для пациента, поскольку сигналы ЭМГ генерируются перенесенными остаточными нервами конечностей, в отличие от традиционных миоэлектрических протезов, где сигналы ЭМГ должны генерироваться мышцами, обычно не участвующими в функциях руки или запястья.[1] Также можно использовать существующие коммерчески доступные миоэлектрические протезы, такие как запястья с электроприводом, локти.[1] Нет необходимости разрабатывать специальные протезы для целевой реиннервации. Посредством переноса нерва целевая реиннервация также может обеспечивать сенсорную обратную связь, чего не удалось достичь ни в одной другой форме протезирования, упомянутой выше.[1]

Методы

Целенаправленная реиннервация мышц

Целью целевой реиннервации мышц является перенос нескольких нервов в отдельные области целевой мышцы, запись нескольких, но независимых сигналов от областей мышц и использование сигналов ЭМГ для управления моторизованным протезом, достаточно сложным для обработки нескольких управляющих сигналов.[1]

Хирургическая процедура

Требование трансплантации нескольких нервов в мышечную область возникло из гипотезы о том, что гиперреиннервация, при которой чрезмерное количество двигательных нейронов, передаваемых в мышцу, может усилить реиннервацию мышечных волокон, тем самым улучшая восстановление парализованных мышц.[1] Гипотеза была проверена на скелетных мышцах крыс, и результат показал, что гипер-реиннервируемые мышцы восстановили больше мышечной массы и силы, и было сформировано больше моторных единиц.[7]

Первым хирургическим пациентом был двусторонняя дезартикуляция плеча ампутант.[6] Обе руки были полностью ампутированы на уровне плеч, остались только лопатки. В грудной Мышцы были выбраны мишенями, потому что они были близко к плечу, и они также были биологически нефункциональными из-за отслоения от ампутированной руки.[6] Грудные мышцы сначала были денервированы, перерезав исходные нервы, которые их иннервируют.[6] В проксимальный концы исходных нервов были перевязаны, чтобы они не реиннервировали грудную мышцу.[6] Затем остатки нервов руки (плечевое сплетение ) были перенесены в грудные мышцы.[6] В мышечно-кожный нерв был передан в ключичный Глава большая грудная мышца мышца; то срединный нерв был переведен в верхнюю грудной большой грудной мышцы; то лучевой нерв была перенесена на нижнюю часть грудины головки большой грудной мышцы.[1] В малая грудная мышца Мышца была перемещена из-под большой грудной мышцы в боковую грудную стенку, так что ее ЭМГ-сигналы не будут мешать сигналам большой грудной мышцы, и это также четвертая мышца-мишень.[6] В локтевой нерв затем был перенесен на перемещенную малую грудную мышцу.[6] Кожно-мышечный, срединный, лучевой и локтевой нервы (плечевое сплетение ) были пришиты к дистальный концы исходных нервных пучков грудных мышц и на саму мышцу.[6] Подкожный жир над грудной мышцей был удален, чтобы электроды могли располагаться как можно ближе к мышце для получения оптимальных сигналов ЭМГ.[1]

Послеоперационное обучение

Примерно через 3 месяца после операции у пациента появилось первое подергивание грудной мышцы при попытке согнуть фантомный локоть.[1] Через пять месяцев после операции он смог сократить четыре области большой грудной мышцы, пытаясь выполнить разные движения.[1] Например, когда пациент пытался согнуть локоть, мышечная область под ключицей сильно сократилась.[1] Это было признаком успешной передачи мышечно-кожного нерва, поскольку кожно-мышечный нерв иннервирует двуглавую мышцу.[1] Затем пациента вскоре отправили на тренировку и сеанс тестирования. Во время тренировки пациент сидел в вертикальном положении и показывал каждое из 27 нормальных движений (например, плечо приведение /похищение, рука открыта / закрыта, локоть сгибание / extension и т. д.) на видео.[8] После каждой демонстрации пациент 10 раз повторял движение с умеренной силой в течение 2,5 секунд.[8] Пациенту давали 5 секунд отдыха после каждой попытки.[8] Во время тестовой сессии пациент выполнял 5 подходов из 27 движений в случайном порядке.[8] Сначала ему показали видео движения, затем попросили следить за повторяющимся видео того же движения одновременно через 2 секунды.[8]

Запись и обработка ЭМГ

Система BioSemi Active II (производства BioSemi, Амстердам, Нидерланды) и 127-канальный электродная решетка использовались для записи монополярный Сигналы ЭМГ, когда пациент пытался двигаться во время тренировок и тестов.[8] Сто пятнадцать электродов использовались для записи ЭМГ грудной мышцы; два электрода использовались для записи с каждого из дельтовидный, широчайшая мышца спины, надостной, верхний трапеция, трапециевидные средние и нижние трапециевидные мышцы.[8] Электроды располагались на расстоянии 15 мм друг от друга.[8] Для устранения артефакта, вызванного движением тела, ЭМГ-сигналы предварительно фильтровались пятым порядком. фильтр высоких частот Баттуорта установить на 5 Гц.[8]

Основным загрязнителем сигнала ЭМГ была ЭКГ артефакт.[9] Чтобы удалить шум ЭКГ, шаблон ЭКГ был построен путем усреднения комплексов ЭКГ, записанных при расслаблении мышц.[9] Время между каждым комплексом ЭКГ использовалось для расчета репрезентативного интервала между спайками.[9] Обнаружение всплесков ЭКГ рассчитывалось на основе корреляций между ЭМГ и шаблоном ЭКГ.[9] Порог был установлен таким образом, чтобы сигналы, превышающие порог, были отмечены как возможные выбросы ЭКГ.[9] Затем интервалы между спайками возможных спайков сравнивали с ранее рассчитанным репрезентативным интервалом между спайками, чтобы определить, следует ли принимать возможные спайки как артефакты ЭКГ.[9]

Еще одна важная задача обработки сигналов ЭМГ - исключить перекрестные помехи от других мышц.[10] Во-первых, положение и расстояние между электродами определяются эмпирически, чтобы получить самую сильную ЭМГ и, следовательно, наименьшие перекрестные помехи.[10] Установка порога выше фонового шума и перекрестных помех от других мышц также помогает устранить перекрестные помехи.[10] Меньший размер мышц и подкожный жир облегчают перекрестные помехи.[10] При минимальном уровне подкожного жира менее 3 мм перекрестные помехи будут минимальными в области диаметром 2–3 см.[10]

Протезные компоненты

После операции пациенту был установлен его предоперационный протез с питанием от тела на правой стороне, а экспериментальный миоэлектрический протез состоял из терминального устройства Грифера, вращателя запястья с электроприводом, цифровой руки Boston и плечевого сустава LTI-Collier на левая сторона.[1] Из успешных переносов нервов были выбраны три самых сильных сигнала ЭМГ: мышечно-кожный нерв, срединный нерв и лучевой нерв.[6] ЭМГ, полученная в результате сокращения мышцы, реинвервируемой срединным нервом, использовалась для контроля закрывающего движения руки; ЭМГ от мышечно-кожного нерва использовалась для контроля сгибания локтя; ЭМГ лучевого нерва использовалась для контроля вращения и сгибания запястья.[6]

Характеристики этих двух протезов сравнивались с тест коробки и блоков, где пациенту давали 2 минуты, чтобы перемещать однодюймовые кубики из одной коробки в другую по короткой стене.[6] Результат был количественно выражен общим количеством перемещенных блоков.[6] Для проверки терминального устройства («руки»), вращателя локтя и запястья пациенту был проведен тест с прищепкой, при котором его попросили взять прищепки с турника, повернуть их, а затем поставить на более высокую вертикаль. бар.[6] Регистрировалось время перемещения 3 прищепок. Оба теста были повторены 3 раза.[6] Количественные результаты показали, что миоэлектрический протез на 246% лучше (переместил в 2,46 раза больше блоков) в тесте с блоками и на 26,3% лучше (на 26,3% меньше времени на перемещение булавок для одежды) в тесте с прищепками.[6]

Также был изготовлен экспериментальный шестидвигательный протез. Наиболее яркой особенностью целевой реиннервации по сравнению с традиционным миоэлектрическим протезированием является ее способность подавать несколько сигналов для одновременного управления несколькими функциями. Хотя современные миоэлектрические протезы можно использовать напрямую, они разработаны и предназначены для традиционного миоэлектрического контроля. Таким образом, единственный имеющийся в продаже протез имеет только оконечное устройство с приводом (часто крюк), вращение запястья и локоть с приводом.[6] Чтобы в полной мере использовать множественные сигналы, обеспечиваемые целевой реиннервацией, был сконструирован экспериментальный протез с дополнительными силовыми компонентами: плечо TouchEMAS, плечевой ротатор и рука, способная открываться и закрываться с функцией сгибания / разгибания запястья. Функции локтя и кисти управлялись четырьмя сигналами передачи нервов, а вращение плечевой кости управлялось ЭМГ от широчайшей мышцы спины и дельтовидной мышцы. С помощью этого шестидвигательного протеза пациент мог одновременно управлять несколькими суставами и выполнять новые задачи, которые не могли быть выполнены с помощью других протезов, например, тянуться, чтобы поднимать предметы и надевать шляпу.[6]

Целенаправленная сенсорная реиннервация

Открытие

Целенаправленная сенсорная реиннервация была обнаружена случайно. Пациент, получивший после операции спиртосодержащий массаж груди, описал ощущение прикосновения к мизинцу. Объяснение этого феномена состоит в том, что, поскольку во время операции был удален подкожный жир, кожа его груди была денервирована. Таким образом, афферентные нервные волокна регенерировали через грудную мышцу, повторно иннервируя кожу над мышцами.[2] С тех пор области грудных мышц были сопоставлены с частями руки и кисти в соответствии с описанием ощущений прикосновения, которые пациент испытывал.[6] При прикосновении к определенной области грудной мышцы пациент описывал, где фантомная конечность он чувствовал прикосновение.[6] Например, при прикосновении к области непосредственно над соском он чувствовал, как будто касаются его передней части предплечья.

Хирургическая процедура

С этим открытием команда приступила к операции по переносу нервов, специально направленной на восстановление сенсорной обратной связи. Кусок кожи рядом с целевой мышцей или над ней был денервирован, таким образом, афферентным нервным волокнам было позволено реиннервировать кожу.[2]В случае пациентки с ампутацией левой руки в плечевой шея, надключичный сенсорный нерв перерезали, проксимальный конец перевязали для предотвращения регенерации и реиннервации, а дистальный конец соединили встык с локтевым нервом.[2] В межреберный кожный нерв лечили тем же методом, при этом дистальный конец совмещался со срединным нервом.[2]

Этот метод получил название «ощущение передачи», и он может обеспечивать полезную сенсорную обратную связь, такую ​​как определение давления, чтобы помочь пациенту оценить величину приложенной силы.[2]

Оценка и результаты

После операции пациента попросили определить области груди с наиболее выраженной чувствительностью отдельных пальцев, которые затем были нанесены на диаграмму.[2] Была количественно оценена характеристика сенсорной реиннервации. Легкое прикосновение количественно определяется порогом, определенным с помощью Семмеса-Вайнштейна. [1] мононити (прибор для измерения ощущений).[2] Нейротип нейрометр был использован для определения чувствительности к резкости и тусклости на 20 участках, распределенных по всей целевой мышце (груди).[2] А камертон был прижат к точкам на груди, чтобы оценить способность пациента обнаруживать вибрацию.[2] Нейросенсорный анализатор TSA II использовался для оценки пороговых значений температуры в двух точках на груди.[2] Другая (нормальная) грудная мышца пациента, нормальная рука и кисть используются в качестве контроля.[2]

Пациент мог воспринимать все виды кожных ощущений.[2] Однако вместо обычного ощущения давления она ощущала покалывание в ответ на прикосновение к целевой коже груди.[2] Самый низкий порог, выше которого можно было почувствовать легкое прикосновение к целевой мышце, составлял 0 • 4 г, в то время как контрольная грудная мышца имела порог легкого прикосновения 0 • 16 г; пороговые значения были ниже 4 г в большинстве точек области, в то время как контрольная грудная клетка имела пороговое значение 0,4 г в соответствующих местах.[2] Контрольная грудь продемонстрировала гораздо более низкий порог, следовательно, более высокую чувствительность. Пациент мог различать возрастающее ступенчатое давление.[2] По мере увеличения испытательного давления покалывание усиливалось.[2] Пациент также продемонстрировал восприятие температуры. Средний порог восприятия холода составил 29 • 1 ° C в целевой мышце и 29 • 9 ° C в контрольной грудной мышце.[2] Средний порог восприятия тепла составлял 35 • 2 ° C в целевой мышце и 34 • 7 ° C в контрольной грудной мышце.[2] Пациент мог различать резкие и тупые раздражители и обнаруживать вибрацию в 19 из 20 точек, выбранных для тестирования.[2] Все вышеупомянутые ощущения, воспринимаемые пациентом, были описаны пациенткой как происходящие в ее фантомной руке.[2]

Риски и осложнения

Чрезвычайные успехи сопряжены с определенными рисками и неудачами. Общие риски операции, помимо стандартных рисков операции, включают постоянные паралич целевой мышцы, повторение фантомная боль в конечностях, и развитие болезненных невромы.[2]

У первого пациента перенос локтевого нерва не был успешным.[1] Мышечная область не была повторно активирована, как ожидалось, а вместо этого стала синюшной после мобилизации, возможно, из-за перегрузки сосудов.[1]

С упомянутой выше женщиной с ампутацией левой руки ее фантомная конечность боль вернулась после операции.[2] Хотя в меньшей степени и разрешился в течение 4 недель, он все же представлял серьезный риск, поскольку неясно, исчезнет ли он у других будущих пациентов.[2]Кроме того, операция была неудачной с пациентом, потому что тяжелые нервные повреждения не были обнаружены до момента операции.[6]

Также остается предположение, выживут ли перенесенные нервы навсегда.

Будущие исследования и разработки

Теперь команда приступила к испытанию с чрез плечевой инвалиды (ампутация выше локтя) с надеждой на перенос срединного нерва в трансрадиальный ампутация потенциально может обеспечить контроль большого пальца.[1] Поскольку все предыдущие пациенты были инвалидами верхних конечностей, команда также надеется в конечном итоге перейти к инвалидам нижних конечностей.[1]

Нервы также могут быть дополнительно разделены, чтобы обеспечить еще более независимые сигналы, чтобы можно было управлять большим количеством функций одновременно и больше степени свободы можно получить при управлении протезом.[1] Это также может побудить к производству более сложных протезов с большей степенью свободы, таких как экспериментальный шестидвигательный протез, упомянутый выше.[1]

При целевой реиннервации также можно использовать имплантируемые электроды для записи более локализованных сигналов от целевой мышцы, чтобы дополнительно уменьшить перекрестные помехи.[1]

Еще предстоит проделать большую работу, чтобы передать сенсорную обратную связь от реиннервируемой целевой мышцы к реальному протезу или сконструировать протезы, способные обеспечить соответствующие стимулы реиннервируемой целевой мышце в соответствии с полученными внешними стимулами, чтобы сенсорная обратная связь руки исходит из ее исходного физического положения.

Начиная с 2016 года Лаборатория прикладной физики в Johns Hopkins начала работать с пациентом, прошедшим целенаправленную реиннервацию мышц и остеоинтеграцию титанового порта, чтобы протестировать и усовершенствовать их дизайн для модульного протеза конечности, финансируемого DARPA.[11]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты v ш Куикен Т. Целенаправленная реиннервация для улучшения протезной функции. Phys Med Rehabil Clin N Am. 2006 Февраль; 17 (1): 1-13.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты v ш Икс у Куикен Т.А., Миллер Л.А., Липшуц Р.Д., Лок Б.А., Стабблфилд К., Мараско П.Д., Чжоу П., Думанян Г.А. Целенаправленная реиннервация для улучшения функции протеза руки у женщины с проксимальной ампутацией: тематическое исследование. Ланцет. 2007 3 февраля; 369 (9559): 371-80.
  3. ^ а б c Поликов VS, Tresco PA, Reichert WM. Ответ мозговой ткани на хронически имплантированные нервные электроды. J Neurosci Methods. 2005 октября 15; 148 (1): 1-18.
  4. ^ а б Schwartz AB, Cui XT, Weber DJ, Moran DW. Интерфейсы, управляемые мозгом: восстановление движений с помощью нейропротезирования. Нейрон. 2006 5 октября; 52 (1): 205-20.
  5. ^ а б c Sears HH. Тенденции развития протезирования верхних конечностей, Атлас протезирования конечностей, 1992.
  6. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты Куикен Т., Миллер Л., Липшуц Р., Стабблфилд К., Думанян Г. Протезные командные сигналы после целенаправленной операции по переносу нерва гипер-реиннервации. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2005; 7: 7652-5.
  7. ^ Куикен Т.А., Чайлдресс Д.С., Раймер В.З. Гипер-реиннервация скелетных мышц крысы. Brain Res. 1995, апрель 3; 676 (1): 113-23.
  8. ^ а б c d е ж грамм час я Чжоу П., Лоури М., А. Девальд Дж, Куикен Т. На пути к улучшенному контролю миоэлектрического протеза: запись поверхностной ЭМГ высокой плотности после целевой реиннервации мышц. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2005; 4: 4064-7.
  9. ^ а б c d е ж Чжоу П., Лоури М., Вейр Р., Куикен Т. Устранение артефактов ЭКГ из сигналов управления миоэлектрическим протезом, возникающих в результате целевой реиннервации мышц. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2005; 5: 5276-9.
  10. ^ а б c d е Стойков Н.С., Лоури М.М., Куикен Т.А. Анализ методом конечных элементов влияния изоляции и экранирования мышц на сигнал ЭМГ поверхности. IEEE Trans Biomed Eng. 2005 Янв; 52 (1): 117-21.
  11. ^ http://hub.jhu.edu/2016/01/12/prosthetic-limb-more-mobility-apl/